盡管當前電動汽車（EV）和插電式混合動力汽車（HEV）的生產蓬勃發展，但消費者的實際興趣可能有些滯后。

根據一家汽車研究公司的最新調查結果顯示，對于尚未考慮拋棄傳統內燃機（ICE）車輛的消費者來說，對電動汽車電池續航能力的擔憂，仍是阻礙其購買電動汽車的最重要因素。

電動汽車駕駛員通常會遭受一種特有的困擾——日益普遍的“續航焦慮”。內燃機車輛駕駛員就不會有這種焦慮，因為無論他們行駛到任何地方，都可以在附近找到加油站，并且加滿油箱的過程一般不會超過幾分鐘。

許多人購買電動汽車純粹是為了工作通勤。每周五到六天在家和辦公室之間往返，這很大程度上可以消除電動汽車續航里程的不確定性；車輛可在家里過夜充電，或者在工作場所附近的快速充電站充電，又或者在工作場所的停車場充電。

然而，只要一想到周末的鄉間公路旅行，續航焦慮就又回來了。為了解決這一問題，半導體技術正在不斷創新，為實現更快的充電速度和更高的電動汽車續航里程鋪平道路。

電動汽車系統概述

在動力傳動系統、能量存儲和轉換系統方面，電動汽車采用了模塊化方法（如圖1所示）。通常，這些部件包括以下主要電路組件：

車載充電器（OBC）：車輛的鋰離子電池由OBC充電，后者又包括帶有功率因數校正（PFC）的AC-DC轉換器。

電池管理系統（BMS）：BMS負責監測車輛各個電池的狀態，以確保實現最高的效率和安全性，防止過熱、過度充電或充電不足。

DC/DC轉換器：高壓電池通過DC/DC轉換器連接至內部的12V直流網絡。內部直流網絡為配件供電，并為本地開關轉換器提供偏置。

主逆變器：負責將高壓DC轉換成AC以驅動電動機。它還用于再生制動以及將未使用的能量返回電池。

圖1：典型的電動汽車系統架構示例。

電池管理系統和CAN總線

對電動汽車電池來說，它們可能會變得越來越強大，但是隨著在動力傳動系統中增加更復雜的電子設備以實現更有效的維護、充電和使用，對電池的要求也在逐步增加。這些系統需要精確測量重要的安全元素，例如電池組的電壓、電流和溫度。然而，這些測量是在高壓下進行通信的，這會對收集和處理數據的敏感電子設備造成潛在的危險。

例如，BMS通過車輛的車載中央計算機將電池狀態的基本實時數據傳輸給駕駛員。確保這種通信的準確性和順暢運行，對于消除駕駛員的續航焦慮是至關重要的一步。危險在于高壓和開關噪聲，前者來自電池，未來幾年內電池的容量可能會達到800V或更高，而后者則由與中央處理器通信的電池管理系統造成。

圖2：電池管理系統通信接口。

圖2中簡化的BMS系統顯示了在與電動汽車子系統之一連接時信號和電源隔離的重要性。現代數字隔離需要在隔離器的兩側都有電源，并且其還可用于為連接到隔離器的其他器件（如CAN總線收發器）供電。高壓域在電池組一側，低壓域在CAN收發器一側。

雖然圖2中的示例著重于CAN總線接口，但在電池組和微控制器（MCU）之間可能還需要額外的隔離。用CAN收發器隔離各個子系統的最佳選擇，是使用集成DC-DC電源轉換的隔離解決方案，以避免整個系統設計過于復雜。

寬禁帶半導體的前景

新系統不可避免的引入，將增加半導體和其他電子元件的數量，從而增加對電池電力的需求。通常，這種額外的需求會增加系統的成本和重量，在電動汽車市場中，重量越大意味著整體效率就越低。而且隨著總線電壓的升高，硅晶體管的成本也將隨之增加。

很明顯，諸如Si MOSFET、IGBT和超結等傳統的硅技術已經不再適合電動汽車。業界已經開始采用最先進的寬禁帶（WBG）技術進行設計，如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），這兩種技術在電動汽車中都有其獨特的優勢。

與Si IGBT相比，SiC技術具有更高的工作溫度、更高的阻斷電壓和快得多的開關速度。在電動汽車動力傳動系統的核心部分，牽引逆變器會間歇性地將大能量包傳輸回電池，這將體現出SiC開關的最大優勢。另一方面，GaN開關可以為從低功率系統到最高10kW系統（包括AC-DC OBC和DC-DC輔助電源模塊）的一系列其他電源系統提供優勢。

然而，由于GaN和SiC使用了更高的開關速度，它們會產生大量的噪聲。因此，隨著汽車供應商開始采用WBG功率晶體管來滿足不斷增長的功率密度需求，基于半導體的隔離變得不再只是值得擁有，而是成為物料清單（BOM）中至關重要的項目。

實現更佳的性能

要想真正能和內燃機車輛進行競爭，電動汽車電池管理和電源轉換系統就必須做到小巧、輕便且耗電量少，同時還要能為電動機提供高效的動力。

要想獲得更廣泛的采用，不僅要消除人們對續航里程和成本的誤解，還要確保電動汽車制造商在設計層面上盡可能使其電池管理系統具備未來適用性。

盡管面臨挑戰，但隨著汽車電氣化成本的下降和相關系統設計經驗的增長，我們將迎來一個新的突破性技術創新發展階段，各個系統將變得更低溫、更快速、更小巧、更高效。屆時，我們將看到電動汽車真正的能力。
編輯：hfy